基于使用性能的钢桥面铺装环氧沥青混凝土设计*

张肖宁 张顺先 徐伟 黄志勇 吴文亮 苑苗苗

(华南理工大学土木与交通学院，广东广州510640)

随着我国大跨径钢桥建设的发展，多种桥面铺装材料得到了应用，其中以改性沥青SMA、浇注式沥青混凝土和环氧沥青混凝土三种铺装方案应用较多.国外从20世纪60年代开始研究环氧沥青混凝土，并逐步应用到桥面铺装中，混合料的级配采用密实性级配，但在使用中存在抗滑性能不理想、易发生疲劳开裂的现象［1］.南京长江二桥是我国首次在桥面铺装中采用环氧沥青混凝土铺装结构，混合料组成结构采用防水性能较好的悬浮密实型级配，最大公称粒径为9.5 mm;随后，多座桥梁开始采用这种铺装结构，包括润扬大桥、杭州湾跨海大桥等.但是，国内外环氧沥青混凝土铺装结构在实际使用过程当中暴露出两个主要问题:首先，由于环氧沥青混合料受桥梁设计荷载和铺装层厚度的影响，进行配合比设计时所采用的最大粒径有一定的限制，且所采用的级配为悬浮密实结构，属于密级配沥青混凝土［2］.该级配的环氧沥青混凝土铺装方案，铺装层构造深度和摩察系数较小，铺装层抗滑性能较差［3］，尤其在雨天或桥梁跨径较长、纵坡较大的情况下，极易发生交通事故.其次，随着使用年限的增加，在繁重的交通负荷作用下，环氧沥青混凝土桥面铺装会出现很多病害，其中最主要的是疲劳裂缝［4］.究其原因，主要是由于环氧沥青混凝土是非均质的、对于温度较敏感的多向性材料，其内部有很多微孔隙和微裂缝［5］，这些材料本身的原始缺陷在温度和行车荷载的重复作用以及钢桥面板负弯矩区不断承受的弯拉作用下，会不断演化发展，最终形成宏观疲劳裂缝，如果疲劳裂缝进一步发展就会产生疲劳破坏.

针对环氧沥青混凝土桥面铺装中出现的主要问题，文中首先从级配方面进行研究，对传统的设计级配进行改进和完善，首次把骨架密实断级配CAVF设计方法运用到环氧沥青混凝土的级配设计当中，提出以空隙率和构造深度作为环氧沥青混凝土的设计指标;然后基于断裂力学和能量法原理，提出以冲击韧性作为环氧沥青混凝土配合比设计和疲劳性能的一个评价指标，并通过疲劳试验验证冲击韧性与疲劳性能之间的关系.

1 CAVF设计方法研究

现阶段钢桥面铺装中所使用的环氧沥青混合料集料最大粒径为13.2 mm，同时为了避免桥面铺装水损害的产生，环氧沥青混凝土空隙率一般控制在3%以内［6］，这就造成了环氧沥青混凝土铺装层表面较光滑，抗滑能力较差，容易发生交通事故.

研究表明粗集料空隙填充(CAVF)法能够较好平衡沥青路面防水性能和抗滑性能之间的矛盾［7］，CAVF设计方法既强调粗集料骨架的嵌挤作用，又充分利用细集料的填充、粘结作用，把嵌挤原则和填充原则结合起来，从而全面提高混合料的路用性能，实践证明粗集料空隙填充法形成的密断级配能够较好满足路用性能需要，该方法设计的主体基本思路是:实测主骨架矿料的空隙率，计算其空隙体积，使细集料体积、沥青体积、矿粉体积及沥青混合料最终设计空隙体积之总和等于主骨架空隙体积，从而确定细集料用量与沥青用量，即细集料和沥青所组成的胶浆是作为填充料以填充主骨架的空隙，不会发生胶浆干涉.为了避免集料的干涉，细集料颗粒不能太大，相对连续级配用量较少.按这种方法设计的沥青混合料，既保证了骨料的充分嵌挤，又使沥青胶浆充分填充了主骨架间隙，从而可全面提高混合料的性能.按照上述体积关系，粗集料、细集料、矿粉的质量分数、油石比、捣实状态下的粗集料松装间隙率及混合料设计空隙率满足方程:

式中:qc、qf、qp分别为粗集料、细集料、矿粉的质量分数;qa为沥青质量分数;VDRC为干捣实状态下的粗集料间隙率;VDS为设计沥青混合料空隙率;γs为粗集料毛体积密度;γf、γp分别为细集料和矿粉的表观密度;γa为沥青相对密度;VDRC可以通过试验测得:

式中:γc为粗集料表观密度.上式没有考虑集料吸收沥青体积的影响和细集料、沥青胶浆对粗集料间隙率的影响，葛折圣［8］对CAVF设计方法进行了改进，引用干涉系数α来表示对粗集料骨架的干涉程度并对原混合料体积平衡方程进行改进，即

式中:m为沥青混合料的质量;V为混合料的体积;Vbe为有效沥青体积，取值可参考JTG F40—2004《公路沥青路面施工规范》和文献［8］:Vmix=αVmin，为沥青混合料中粗集料的间隙率，Vmin为粗集料骨架间隙率最小值，α为干涉系数，一般取值为1.0～1.2，γm为沥青混合料毛体积密度，γce为粗集料的合成有效相对密度，pca为沥青混合料中粗集料的比例.

解式(1)和(5)即可得粗、细集料的含量.然后，按照式(6)和(7)，由Vbe反算出qa:

式中:qbe为有效油石比;qba为被集料吸入的油石比;γse为合成矿料的相对密度;γsb为合成矿料毛体积相对密度.

2 混合料的级配设计

2.1 集料基本参数的测定

考虑铺装混合料集料最大粒径与施工最小厚度的技术要求，参考其他桥面铺装所使用各档集料的情况，以13.2mm为最大集料尺寸，间断3～5mm粒径的碎石，细集料采用0～3mm的石屑，矿粉采用石灰石.测得集料的主要技术指标如表1所示.

表1 集料主要技术指标Table 1 Main technical indexes of aggregate

环氧沥青的相对密度为1.023g/cm3，根据文献［9］中的方法测得粗集料紧装密度为1.656 g/cm3，根据文献［8］试验方法测得Vmin=38.72%，干涉系数 α =1.01，αVmin=39.11%，各档集料筛分结果如表2所示.

表2 各档集料筛分结果Table 2 Sieving results of each aggregate mm

2.2 各组分用量的确定和级配设计

结合已铺筑桥梁桥面铺装沥青混合料的配比情况和在桥面铺装中使用情况的总结，根据经验，取矿粉用量为12.6%.空隙率对桥面铺装的疲劳性能和防水性能有着重要影响，空隙率增加将会显著降低混合料的疲劳性能;同时，随着空隙率的增加，沥青混合料的抗水损坏能力也逐渐降低，考虑桥面铺装抗疲劳和水损坏的影响，初拟本次沥青混合料的空隙率为2.0%，有效沥青体积Vbe=13%，把沥青用量、矿粉用量、目标空隙率和Vbe代入式(1)和(5)，即可得出粗细集料的用量为63.5%，23.9%.根据合成矿料的毛体积相对密度、表观相对密度、有效相对密度和式(6)、(7)，计算得出沥青用量(油石比)为6.7%.根据粗集料用量、细集料用量和矿粉用量，结合集料的筛分结果.即可绘出采用CAVF法设计的环氧沥青混合料级配曲线，并和传统的环氧沥青混合料级配曲线进行了对比，如图1所示，从图1中可以看出两种级配有较大的差异，CAVF法是明显的密断级配形式.

图1 环氧沥青混合料设计级配曲线Fig.1 Design gradation curves of epoxy asphalt mixtures

2.3 防水性能和抗滑性能研究

根据2.2节中的粗细集料用量、矿粉用量和沥青用量成型马歇尔试件，文中所采用的沥青胶结料分别为两组份环氧沥青和三组份环氧沥青，两组份环氧沥青组成情况及成型方法在文献［6］中有所描述;三组份环氧沥青分别由主剂、固化剂和基质沥青3部分组成，其中基质沥青一般采用AH-70，无特殊要求时环氧沥青配比如下:环氧树脂质量配比为m主剂:m固化剂=56∶44;环氧沥青质量配比为:m基质沥青∶m环氧树脂=50∶50.环氧树脂和硬化剂分别加热到60℃，基质沥青加热到160℃，然后同时直接加入拌合锅中和石料进行拌合.成型试件后冷却至室温，之后放入60℃烘箱养护4d，测定固化后的马歇尔试件体积参数，结果如表3所示.

表3 马歇尔试件体积参数Table 3 Volume parameters of Marshall specimen

从表中可以看出，混合料平均空隙率为1.88%，与目标空隙率2.0%较为接近，远远小于渗水系数门槛值(空隙率为5%)［10］;同时进行了环氧沥青混凝土渗水试验，试验结果为0mL/min.说明用CAVF方法设计的环氧沥青混合料具有良好的防水性能和抗渗性能.为了验证采用CAVF方法设计的环氧沥青混合料的抗滑性能，在常温条件下分别进行摩擦系数和构造深度试验，摩擦系数在干燥状态下为89，湿润状态下为78，构造深度为1.08 mm，说明采用CAVF方法设计的环氧沥青混凝土具有良好的抗滑性能.

3 基于冲击韧性的环氧沥青混凝土疲劳性能研究

现阶段进行环氧沥青混合料设计时，并没有把疲劳性能设计纳入配合比设计体系之中，而只把疲劳性能作为一项验证指标，这是环氧沥青混凝土出现大量疲劳破坏的原因所在.然而，在实际使用过程当中，环氧沥青混凝土主要表现为疲劳破坏，现有的设计理论和方法与实际使用情况之间有较大的差别.文中尝试在断裂力学和能量法原理的基础上，提出以冲击韧性作为环氧沥青混凝土配合比设计和疲劳性能设计的一个重要指标.

3.1 冲击韧性理论基础

冲击韧性主要是指材料在冲击荷载作用下吸收变形功和断裂功的能力，是评价材料韧性的一项重要指标.当材料承受外界荷载作用时，材料内部本身就会产生一定的应力并导致相应的应变，材料在重复荷载作用下产生疲劳裂纹后，就会在裂纹处产生一定的应力应变场.根据能量原理提出的J积分理论［11］可定量地描述裂纹体的应力应变场强度，它不仅适用于弹性体，对小变形的弹塑性体也适用.Bagley和Landes依据大量试验，认为J积分作为衡量裂纹开裂的参量是适宜的，从而建立了J积分准则:即当围绕裂纹尖端的J积分达到临界值JC(平面应力)或JIC(平面应变)时，裂纹开始扩展.JC或JIC被称为J积分断裂韧度，代表材料的抗裂性能，由于韧度JIC可以用势能公式表达出来，沥青混合料的J积分断裂韧度可以根据下面公式获得［12］:

式中:U为荷载功，即荷载－位移曲线下的面积，N·mm;b为试件厚度，mm;a为裂纹长度，mm;下标1、2表示试件.因此，材料发生断裂时伴随着能量的损耗，能量值可以用荷载－位移图所包围的面积来计算，试验荷载－位移曲线下所包围的面积越大，断裂韧度JIC越大，材料抵抗破坏的能力越强.

图2中阴影部分的面积代表冲击韧性，根据J积分理论和JIC公式可知，冲击韧性在理论上是可行的.结合Origin软件和笔者编写的计算程序，可得出阴影部分的面积，即冲击韧性的大小.张肖宁等［13］曾采用冲击韧性评价沥青混合料抵抗反射裂缝的能力，并取得了较好的效果.

图2 荷载－位移图Fig.2 Load-displacement figures

3.2 试验方法

文中所采用的冲击韧性试验采用小梁棱柱体试件进行，试件制备过程如下:

(1)采用轮碾成型机压实成型，制备300 mm×300mm×50 mm的板块状试件，将制备好的试件放到120℃(两组分)或60℃(三组分)的烘箱中加热4d，使其快速固化.

(2)采用芬兰生产的高精度双面锯将轮碾成型的固化后的板块状试件切制成长(250±2)mm、宽(30±0.5)mm、高(35 ±0.5)mm 的棱柱体小梁，其跨径为(200±0.5)mm，采用这样的试件均匀性好，试验误差小，方便易行.

(3)冲击韧性试验拟采用在MTS试验机上进行，该试验机的加载速率可以根据需要进行选择，本次试验加载拟采用的加载速率为500mm/min.

为了了解温度变化和沥青胶结料含量变化对小梁冲击韧性的影响，按照上述试验方法分别进行两种环氧沥青胶结料不同温度和不同沥青含量下的冲击韧性试验，试验结果如图3(a)、(b)所示.

由图3(a)、(b)可知，随着试验温度升高，两种环氧沥青混合料的冲击韧性逐渐增大，且相同条件下两组份环氧沥青的冲击韧性大于三组份环氧沥青的冲击韧性.这主要是由于环氧沥青性能对温度的依赖性决定了沥青混合料性能也显著地受温度的影响.众所周知，随着温度测量尺度的不同，沥青混合料可以表现出弹性体或粘性流体的所有特征，破坏过程由典型脆性破坏过渡到弹塑性破坏，这种转变是由环氧沥青混合料中环氧沥青的性能决定的.随着试验温度的升高，环氧沥青混合料由玻璃态脆性固体向粘弹性体转变，混合料的破坏由脆性破坏向屈服破坏转变，同时混合料内部会发生微小的粘弹性变形，使荷载－位移图曲线下的面积增大，即冲击韧性逐渐增大，因此冲击韧性在试验温度范围内随温度升高而增大.

图3 不同温度和油石比下两组份和三组份环氧沥青的冲击韧性Fig.3 Impact toughness of epoxy asphalt with two or three components at different temperature and bitumen-toaggregate ratios

采用CAVF法设计的环氧沥青混合料属于骨架密实性级配，在同一级配的情况下，由图3(a)、(b)可以看出随着沥青含量的增加，冲击韧性逐渐增大，当油石比小于6.9%时，曲线的斜率增加较快，冲击韧性变化较大;当油石比大于6.9%时，曲线斜率变化幅度较小，冲击韧性增长较缓慢.因此在同一级配和温度下，沥青用量存在一个阈值点，该阈值点控制了冲击韧性的变化幅度(本试验中沥青用量(油石比)阈值点为6.9%)，这主要是由于沥青膜厚度的影响.当沥青用量较小时，包裹在矿料周围的沥青膜厚度不足或较薄，矿料之间粘结力较小，抗变形能力较差;随着沥青用量的增加，沥青膜厚度逐渐变大，矿料之间的粘结力得到进一步的改善，抗变形能力得到加强，冲击韧性也随之增大;当油石比大于6.9%时，矿料周围的沥青膜厚度不增加或增加较缓慢，混合料内部变形速率较小，因此冲击韧性变化不明显.

3.3 冲击韧性与环氧沥青混合料疲劳性能之间的关系

现阶段，环氧沥青混合料疲劳试验方法通常采用应力控制或应变控制两种加载模式，这两种加载模式在反映材料疲劳性能方面有较大差异.对于钢桥面铺装，应采用控制应变的荷载模式，原因如下:

(1)应力控制模式不能反映铺装层劲度模量随着铺装材料老化，疲劳性能会逐渐衰减的过程.

(2)由于钢桥面板和铺装层材料之间模量相差较大，铺装结构强度主要来源于桥面板的刚度.

笔者曾对环氧沥青混凝土的疲劳性能进行了大量的试验研究，结果表明环氧沥青混凝土疲劳性能好.以应变加载方式进行控制时，在500×10－6的条件下，如果按照混合料的剩余劲度模量降到初始劲度模量的50%作为破坏标准，其疲劳性能大于100万次，试验运行周期长，费用高，且试验结果离散性大.为了能在相对较短的时间内得出环氧沥青混凝土的疲劳寿命，本文拟采用500×10－6作为环氧沥青混凝土的疲劳控制应变，以加载50万次后的剩余劲度模量比作为评价环氧沥青疲劳性能的指标.剩余劲度模量比越大，表明沥青混合料的疲劳寿命越好.采用英国公司生产的Cooper试验机进行疲劳试验.试验结果如图4所示.

从图4中可以看出，当混合料加载50万次后，油石比由6.1%增加到6.9%时，两种环氧沥青混合料剩余劲度模量比曲线斜率很大，剩余劲度模量比有较大变化，表明此时沥青混合料的疲劳性能在快速提高;当沥青用量大于6.9%时，剩余劲度模量比变化较小，表明此时沥青混合料的疲劳性能提高较缓慢，且对于剩余劲度模量比，两组份环氧沥青混合料大于三组份环氧沥青混合料，可知两组份的环氧沥青混合料疲劳性能优于三组份的疲劳性能.根据图3(a)、(b)可知，四点弯曲疲劳试验结果与冲击韧性试验得到的结果一致，说明环氧沥青混合料的疲劳寿命和冲击韧性之间有一定的相关性.为验证设计出的沥青混合料的疲劳性能，取油石比为6.9%时的混合料进行应变为500×10－6的疲劳试验，其两组份环氧沥青疲劳寿命约为200多万次，而三组份环氧沥青的疲劳寿命约为180万次，两者均满足《公路钢箱梁桥面铺装设计与施工技术指南》中疲劳性能的需要(大于100万次).

图4 不同油石比下的疲劳试验结果Fig.4 Fatigue test results under different bitumen-to-aggregate ratio

为了找出冲击韧性和疲劳寿命之间的内在联系和相关性，以三组份环氧沥青混合料为例，将15℃下的剩余劲度模量比和冲击韧性值进行汇总，见图5，并对试验数据进行回归拟合，得到线性方程y=2.75x+62.43，相关系数为 0.98.说明冲击韧性与疲劳寿命之间具有良好的线性相关性，因此冲击韧性可以作为评价环氧沥青混凝土疲劳性能的指标.根据冲击韧性和马歇尔试验结果，初拟沥青油石比为6.9%.采用冲击韧性试验方法，设备简单，试验周期较短，可方便快捷地进行疲劳性能评价.

图5 冲击韧性与剩余劲度模量比之间的关系Fig.5 Relationship between impact toughness and residual stiffness modulus ratio

4 结论

文中在钢桥面铺装环氧沥青混凝土使用性能的基础上，采用密断级配CAVF法设计抗滑性能较好的环氧沥青混合料，从断裂力学和能量法的角度，采用冲击韧性试验评价环氧沥青混凝土的疲劳性能，并建立起冲击韧性和混合料剩余劲度模量比之间的关系.具体得出如下结论:

(1)采用CAVF方法对钢桥面铺装环氧沥青混凝土进行设计，在保证防水性能的前提下，摩擦系数和构造深度有了明显的提高，可以避免雨天或桥梁跨径较长、纵坡较大的情况下交通事故的发生，该方法为环氧沥青混合料的设计提供了一种新的思路.

(2)冲击韧性指标代表了材料在冲击荷载作用下发生断裂前积蓄的能量，随着沥青用量的增大和温度的升高，冲击韧性值逐渐增大;环氧沥青混合料沥青用量(油石比)的阈值点为6.9%，当沥青含量超过6.9%时，冲击韧性增幅减缓.

(3)采用剩余劲度模量比代表环氧沥青混凝土的疲劳性能，发现冲击韧性和剩余劲度模量比均随着沥青用量的增加而逐渐增大，两者具有较好的一致性.两组份环氧沥青混合料的疲劳性能优于三组份混合料的疲劳性能.

(4)由试验可知，环氧沥青混合料的冲击韧性和剩余劲度模量比之间具有很好的线性相关性，相关系数大于0.98，因此可以采用冲击韧性评价环氧沥青混凝土的疲劳性能.

［1］Seim Charles.Skid resistance of epoxy asphalt pavements on california toll bridgfs ［C］∥［S.l.］:ASTM Special Technical Publication，1972:41-59.

［2］Yang Jun，Lu Hai-zhu.Evaluation of modification effect of epoxy resin based on performance of asphalt mixtures［J］.Journal of Southeast University:English Edition，2006，23(1):122-126.

［3］蒋玲.环氧沥青混合料应用研究现状与发展趋势［J］.化工新型材料，2010，38(9):34-36.Jiang Ling.Applied research and development of epoxy asphalt［J］.New Chemical Materials，2010，38(9):34-36.

［4］程庆，王大明，吴春颖.钢桥面沥青铺装层病害及成因分析 ［J］.公路工程，2010，35(3):113-115.Cheng Qing，Wang Da-ming，Wu Chun-ying.Analysis on diseases and their causes of steel deck asphalt pavement［J］.Highway Engineering，2010，35(3):113-115.

［5］钱振东，李智，陈春红.钢桥面环氧沥青混凝土铺装层I型裂缝的断裂判据 ［J］.中国公路学报，2008，21(5):34-37.Qian Zhen-dong，Li Zhi，Chen Chun-hong，Fracture criterion for mode I crack of epoxy asphalt concrete paving course of steel deck bridge pavement［J］.China Journal of Highway and Transport，2008，21(5):34-37.

［6］Huang Wei，Qian Zhen-dong，Cheng Gang.Application of epoxy asphalt concrete to pavement of long-span steel bridge deck［J］.Journal of Southeast University，2002，32(5):783-787.黄卫，钱振东，程刚.大跨径钢桥面铺装环氧沥青混凝应用［J］.东南大学学报，2002，32(5):783-787.

［7］张肖宁，王绍怀，吴旷怀，等.沥青混合料组成设计的CAVF 法［J］.公路，2001(12):19-21.Zhang Xiao-ning，Wang Shao-huai，Wu Kuang-huai，et al.CAVF method of asphalt mixture composition design［J］.Highwat，2001(12):19-21.

［8］葛折圣，张肖宁，高俊合.富沥青混合料设计方法的改进［J］.公路交通科技，2007，24(11):49-52.Ge Zhe-sheng，Zhang Xiao-ning，Gao Jun-he.Improvement of FAC designing method ［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2007，24(11):49-52.

［9］邹桂莲，张肖宁，王绍怀，等.富沥青混合料的CAVF法设计［J］.公路，2002(3):77-79.Zou Gui-lian，Zhang Xiao-ning，Wang Shao-huai，et al.Design of full asphalt mixture by CAVF method ［J］.Highway，2002(3):77-79.

［10］孙立军.沥青路面结构行为理论［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［11］程靳，赵树山.断裂力学［M］.北京:科学出版社，2006:115-133.

［12］刘宇，张肖宁，王端宜.沥青混合料裂纹扩展阶段的疲劳寿命预测［J］.华南理工大学学报:自然科学版，2008，36(2):41-47.Liu Yu，Zhang Xiao-ning，Wang Duan-yi.Prediction of fatigue life of asphalt mixture in crack grow stage ［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2008，36(2):41-47.

［13］张肖宁，邹桂莲，贺志勇.沥青混合料抵抗反射裂缝能力的评价方法研究［J］.华南理工大学学报:自然科学版，2001，29(7):86-88.Zhang Xiao-ning，Zou Gui-lian，He Zhi-yong.Investigation of evaluating method to t he ability of resisting reflective cracking for asphalt mixture ［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2001，29(7):86-88.